面对全球能源危机的挑战，人类社会必须解决这一问题以实现可持续发展[1]。在此背景下，光催化作为一种能够直接将太阳能转化为化学能并实现材料还原和再生的先进技术，展现出巨大的应用潜力[2]。特别是通过太阳能驱动的光催化水分解产氢，被视为未来能源发展的战略方向，因为它几乎不消耗能量且对环境友好[3]。半导体材料是光催化水分解技术的核心，其性能取决于三个关键因素：光能利用效率、PEHP分离效率和材料本身的稳定性[4]。CdO因具有有利的带隙（Eg）、高的PEHP迁移率、良好的稳定性和低成本而在可见光光催化领域受到关注[5]。然而，CdO存在固有的缺点，如PEHP快速复合和太阳光谱响应范围有限，这严重阻碍了其大规模实际应用[6]。因此，从根本上提高CdO的电荷分离效率和拓宽其太阳光谱利用范围是提升其光催化性能的基本途径。
优化光催化性能的一种常见策略是材料改性。这种策略旨在提高PEHP的转移效率，从而促进光催化活性物种的生成[7]。目前，包括缺陷工程、形貌控制、异质结构建和贵金属沉积等一系列策略，在提高与光吸收和电荷分离相关的催化剂性能方面显示出有效性[8],[9],[10],[11]。半导体异质结构建在这些策略中尤为突出，因为它有效地结合了高效率和实用性[12]。通过显著抑制PEHP复合和拓宽光响应范围，这种方法可以显著提高催化活性，因此在当前的光催化领域成为一个研究热点[13]。例如，先前报道的复合催化剂如CdO/CoFe2O4[14]、CdO/Fe3O4[15]、CdO/ZnO[16]和CdO/SnO2[17]，其光催化活性均明显优于纯相CdO。
目前，光催化中常见的异质结类型从传统的II型发展到最近开发的电荷转移机制，如Z型、S型和C型[18],[19],[20],[21]。其中，S型异质结因其能够协同促进电荷分离/迁移并保持高氧化还原电位而受到广泛关注[22]。典型的S型异质结通常由一种具有强氧化能力的半导体和另一种具有匹配能带结构和强还原能力的半导体组成。在界面IEF的驱动下，PEHP发生定向迁移，从而显著提高光催化反应的效率[23]。在实际研究中，许多研究证实了S型异质结的优异性能。例如，研究人员通过将CdO与各种半导体（如CdMoO4[24]、Co3O4[25]、CuO[26]和g-C3N4[27]）耦合，成功制备了一系列S型异质结催化剂。在所有这些复合系统中，S型电荷转移路径协同促进了PEHP的有效分离，同时保持了强大的氧化还原能力。这种协同作用显著提高了光催化活性。
ZMO在光催化领域受到广泛关注，这归功于其独特的尖晶石结构和狭窄的带隙（Eg ≈ 1.8–2.2 eV）[28]。ZMO的一个关键优势在于其强的可见光吸收能力和优异的化学稳定性。这些组合特性使其在光催化降解有机污染物方面具有独特优势[29]。然而，单组分ZMO仍存在PEHP容易复合和量子效率有限的问题，这严重限制了其实际应用[30]。从能带电位的角度来看，ZMO的VB电位仅为+0.51 eV（相对于NHE[31]）。从热力学角度来看，这个VB电位不足以驱动OH?氧化为羟基自由基（·OH），因为OH?/·OH的标准还原电位为+1.99 eV（相对于NHE[32]）。这导致其表面h+的氧化能力极为有限。相比之下，ZMO的CB电位约为-1.1 eV（相对于NHE[33]），这不仅满足了H2的析出电位（0 V相对于NHE[33]），还赋予了材料强的还原能力，使其成为一种具有强还原能力的半导体。先前的研究已经证实，通过将ZMO与TiO2[34]、ZnO[35]、FeOOH[36]和Bi2MoO5[37]等氧化半导体复合，可以显著提高光催化效率。
CdO的VB电位约为+2.4 eV（相对于NHE[38],[39]），具有强的氧化能力，是一种典型的氧化半导体，而ZMO由于其更负的CB电位而具有还原性。由于它们互补的氧化还原性质和匹配的能带结构，构建的ZMO/CdO异质结预计将遵循S型电荷转移路径，从而协同促进载流子分离并保持高氧化还原电位，从而提高光催化性能。
为了验证这一机制并评估其实际应用性，本研究重点关注ZMO/CdO复合材料的溶剂热合成，并通过XRD、SEM/TEM、XPS、UV–Vis DRS、Mott-Schottky和光电化学测量系统研究了它们的结构、光学和界面性质。结合密度泛函理论（DFT）计算，阐明了由IEF和能带弯曲驱动的S型电荷分离过程。此外，通过调整牺牲剂的用量和溶液pH值优化了光催化析氢性能，并在各种实际水样（包括自来水、河水、湖水和废水）中检验了催化剂的稳定性和环境适应性。这项工作不仅提供了一个基于氧化还原互补半导体的S型异质结的具体例子，还为设计适用于复杂水环境的高效和稳健的光催化剂提供了实用见解。
